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氮化镓mosfet

氮化镓mosfet 半导体行业在摩№尔定律的“魔咒”下已经﹣狂奔了50多年,随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近?…

氮化镓mosfet

半导体行业在摩№尔定律的“魔咒”下已经﹣狂奔了50多年,随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近?理论极限,摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓。除了进一步发展在摩尔定律下的制造工艺外,寻找硅(Si)?以外新一代的半导体材料?,也就成了一个重要方㎝向。在这个‰过程中,氮化镓(GaN)近年来作为一个高频词汇,进入了人£们的视野。

本文引用地址:http://www.?eepw.co%m.cn/article//202≦003/411238.htm

G?aN是一?种新型的≈半导体材料,mol中文名为氮化镓,英文名称是 Gallmium nitride。它是≯氮和镓的化合物,是一种直接?能隙(Dire?ct Bandgap)的半导体,也是一种宽禁带半导体材料。与碳化硅(SiC)⊥一∶起被成为“第三代半导体材料”,而第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景,成为全球半导体市场争1夺的焦点。

为什么GaN技术㎞得到了发展?

与Ga∈N相比,实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早,而之所以GaN近年来?更为抢眼,主×要的原因有两点:第一,GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力,目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件,以替代昂贵的SiC衬底;第二2,由于GaN器件是个平面器件,与现?有的Si半导体工艺兼≤容性强,这?使其?更容易与其他半导体器件集成。

氮化镓(GaN)具有更高的击℃穿电压(使用⌒GaN时大于200V∩),能够承受高的输入/输出错配(通常>15:1VSWR),具有更高的结温,平均无故障时间为?一百万?个小时。此外,∴它还具有热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度*和高硬度等特性。

相较于传统的硅基半导体,GaN㎡能够提供显著的优势来支持功率应用,这些优势包括在更高功率获取更大的节能效益,以致寄生功耗大幅降低;GaN材料也容许更多精简元件的设计以支持更小的尺寸外观。这与±半导体行业一贯的“调性”是∣吻合的。

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图片来源:ON S?emiconductor
﹢根据Gartner绘制的GaN技术成熟度曲线,GaN目前处于技术成熟度曲线的第二个攀升阶段,也就″是说它的热潮时间段已经过去,走出了泡沫化的低谷期,已经进入了稳步爬升的光明期,现?在正是GaN产品和技术发展的良机。
G·aN首先从上世纪90年代开始在LED领域大放异?彩,自20世纪初以来,GaN功率器件已经逐步℅商业化。2010年,第一个GaN功率器件由IR投入市场,自商用功率GaN器件首次发布以来,越来越多的企业进入该产业链。
GaN功率器件的优?势
在功率器件中,相对于S?i器件,GaN功?率器件的性能具有明显?优势。首先,其转换效率很高,G?aN的禁带宽度是硅的三倍,临界㎎击穿电场是硅的十倍,因此同样额定电压的GaN功率⊕器件的导通电阻比硅器?件μ低1?000倍左右,大大降?低′了开关的导通损耗。
另外,GaN功率器件工作频率很高,比硅器件高20倍左右。由于GaN可以工作在高频段,因此可以使得∫整个电路的?开关工∷作频率从原来的50~60kHz,提高到200~500kHz及以上?。工作频?率高了后,就可以大幅缩小变压器等器件的体积ml,从而提高了产品的功率密度,让产品的体积可以做得更小,效率做得更高。同?时,因为效率提高了,散热也更好处理,有些产品甚至都不需要加散热片了。
这些给GaN功≡※率器件的发展创造了条件。相比硅在°高于1200V的高电压、大功率具有优势,GaN制的产品更适合40~1200?V的应用,特别是在<600V/≥3KW能发挥最大优势,?600?/650V?等级的GaN晶体管现在已经广泛使用。因此,在伺服器、马达驱动、UPS等领域,GaN可以挑战传统MOSFET或IGBT的地位。

2016年氮化镓(GaN)功率元件产业o规模约为1200万美元,研究机构Yol㏑e Développemen研究显示预计到2022年该市场将成长≧到4.6亿美=元,年复合成长率高达∷79-%。

拥有?GaN功率器件或?辅助元器件业务的?公司几乎都享受着销售业绩每月增长的“甜蜜”,包括GaN Systems、Navit⊿as Sem ?iconductor、Texas Instruments(德?州仪器)、Panasonic(松下)和On Semiconductor(安森美)等公司。﹣

虽然G?aN有着许多优势,但因为产品价格偏高,这是现在消费性电子产品未大量采用的主因。反?而在卫星、军事这类对价格敏感度低的产业㏒,GaN零组件对其有极大的吸引力。若未来成本能再大幅下降,市场需求就?会爆发。
Ga?N在电源管理、发电和功率输出方面具有明显的技术优势。在60§0伏特左右电压下,?其在芯片面积、⊙电路效率和开关频率方面明?显优于硅,这使电源产品更为轻薄、高效。并且,GaN充电器体积小、功率高、支持PD协议?,有望在未∽来统一笔电和手机的充电器市场,市场前景广阔。Yole预计2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元,年复合成长率达85%,当中,GaN快充是推动产业高成长的主?要力量。
GaN或引发充电革命
随着GaN技术获得突破,成本得到控制,除了射频微波领域,它还被广泛应用到了消费类电子等领域,其中快速充电器便是一例。采用了GaN?功率器件的充电器最直观的感受就是体积小?、重量轻,在发热量、效率转换上相比普通充电器也有更大的优势,大大的提升了用户的使用体验。
2018年10月,A∵NKER发布氮化镓mosfet了全球首款USB PD GaN充电器PowerPort Atom PD1,和苹果5W充电器差不多的体积却能输出高达27W的功率?,吸足眼球。随后,除了专门生产充电头的厂商?,¥不少消费电子厂商也盯上了GaN充电技术。去年10月发布的OPPO Reno Ace中,就标配了一个GaN充电器,可以实现?65W的超级闪充,成?为全球首款标配?GaN充电器的手机。
上个月,在小?米新品发布会上,小米也推出了一款体积小巧的充电器,采用了来自Navita?s的NV6115和NV6117? GaNFast功?率IC,体积为56.3×30.8x∧30.8mm,官方表示是标准适配器尺寸的一半,也就是小米GaN充㏕电器Type-C 65W —— 再次让GaN材料在?充?电器上的应用引发了消费电子行业的关注。
?就整个消费电子行业的情况来看,GaN已经在?全球主流的消费电子厂商中得到了关注和投入,GaN也?正在伴随充电器×快速爆发。今年一月,在美国举办的CES展会上,参展的GaN充电器已经多达66款,其中涵盖了18W、30W、65W、100W等多个功率以及全新品类超级扩展坞,满足手机、平板、笔电的全方位充电需求。综合性能和成本两个方面,GaN也有望在未来成为消费电子领域快充器件的主流选择。
随着用户对充电器通用性、便携性的需求提高,未来G3aN快充市?场规模将快速上升,预计2020年全球GaN充电器市场规模?为23亿元,2025年将快速上升至638亿元,5年复合年均增长率高达94%。
值得?一提的是,在这样的市?场趋势?下,一些重要的半导体行业也大举切入到GaN市场。GaN不仅仅只在充电器领域,凭借GaN的功率性能、频率性能以及≠优秀散热性能,它还可用于5G基站、自动驾驶、军用雷达等众多功≮率和频率有较高要求的场。
GaN的应用不仅仅止于充电领∨域
但在手机领域,GaN之所以越来越出名,绝∝不仅仅¢是因为快充,而是5G时代的到来。5G将带来半导体?材料革命性的变化,随着通讯频段?向高频迁移,因此基站及通信设备对射频器件高频性能的要求也在不断提高。不仅如此,5G所需要的多㎜重载波聚合以及基站的功率放大♂器,GaN℉都?可以占据一席之地,¤通吃5G的上下游产业链。
在此背景下,GaN的优势将逐步凸显,使得?Ga¥N成为£5G的关键技术。随着今年5G手机∟?的大规模推出和各国5?G基﹢站的铺设,和现有的硅、砷化镓的解决方案比起来,GaN则能提供更好的功率以及能耗比,?也更能适用于5G时代的需求。
· 在5G的关?键技术Massive MIMO应用中,基∪站收?发信机上使用大数量(如32/64等)的阵列天线m实现更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构?需要相应的射频收发单∞元?阵列配套?。因此射频器件的数量将大为增加,器件的尺寸大小很关键,利用GaN的尺寸小、效率高和功率?密度大的特点可实现高集化的解决方案,如+模块化射频前?端器件。
· 除了基≒站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会大为增加,因此相比3G√、?4G时代,5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至?上㈱百倍的数量增加,因此成本的控制非常关键,而硅基氮化镓在成本上具有巨大的优势,随着硅¬基氮化镓技术的成熟,它能以最大的性价比优势取得市场的突破。
同时在5G毫米波应用上?,GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方∏案的尺寸,实现性能成本的最优化组合。?
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图片来源:Qorvo
让人感到?兴奋并可瞥见未来?的自动驾驶,?也是GaN的应用领域。如果÷您仔细看,〒您会看到在车顶上安装了用>作车辆的“眼睛?”的激光雷达(LiDAR)系统。LiDAR器件快速=发射出控制光束,以及纪录?光束从一个物体上反射回来到传感器的时间,并且可以确定这个物∑体的方向,从而制成在车辆四周的三维360度全景。激光光束的发射速?度越快,LiDAR系统识别物体的能力或场景的分辨率将会更高。
GaN技术在≌LiDAR系统中发挥非常重要的作用,相?较MO◎SFET器件而言,开关速度快十倍,使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势,由于可实现优越的开关转换,因此可推动?更高准确性。这些性能推动全新及更广阔的LiDAR?应用㎏领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。
Ga?N在国防工业㏄中的应用前景也很广阔,美国的大型国防合约商雷神公司宣布将开始在新生产﹤的Guidance ∠Enhanced Missile∥-TBM(GEM-T)拦截器中使用GaN计算机芯?片,以取代目前在导弹发射器中使用的行波%管(TWT),希望通过使用GaN芯片升级GEM-T的发射器,提高拦截器的可靠性和?效率。此外,在新生产导弹中过渡到GaN意味着发射器不需要在拦截器的使用寿命期间更换$。
雷神公司的GEM-T导弹是美国陆?军爱国者空中和导℡弹防御系统3的支柱,?于对付飞机和战术弹道导弹和巡航导弹。发?射器将导弹与地面‖系统连接起来,使其能够在飞行∮过程中控制?武?器,GEM-T中的GaN发射器使用固态而不是传统的行波管设计。
新发射?器具有与旧发射器相同的外形和功能,不需要额外的冷却,并且可以在通电几秒钟内运行。这意味着采用新型GaN发射器的GEM-T将能够继续在最苛刻的条件下运行。这种发射器技术也可能会在其他?导弹上看到其他测试。美国陆军表示有兴趣用这些类型的发射器取代整个库存,在GEM-T计划中采用这些发射器能够将修复成本降低36%。
最后我们来看看,现在什么是氮化镓(GaN)器件发展道路上的“拦路虎”呢?影响最大的就是:价格。回顾前两代半导体的演进发展过程,任何一代半导体技术从实验室走向市场,都面临商用化的挑战。目前GaN也处于这一阶段*,成本将会随着?市场需求量加@速、大规模生产、工艺制程革新等,而走向平民化,而最终的市场也将会取代传统的硅基功率器件。随着第三代半导体的普及临近,也﹥让我们有幸见证这一刻的到来。

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作者: mgnqyz

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